Saisonspeicher im Erdreich

Bereits hatte ich einiges gehört und gelesen zu Sonnenkollektoren, über deren Funktionsweisen sowie über ihre Vor- und Nachteile. Sehr ärgerlich erscheint doch die Tatsache, dass im Sommer die Wärme vorhanden ist, die im Winter benötigt würde. So ein kleiner Speicher im Keller vermag keine monatelange Kälteperiode abzudecken. Ein grösserer Speicher würde das Problem vielleicht lösen? Ein Saisonspeicher im Erdreich zum Beispiel.
Das ist keine grossartige Technologie, auch keine Neuheit oder so. Doch mich interessierte, wie das konkret aussehen könnte. Wie sehen die Werte und Dimensionen aus, mit denen man sich rumschlägt, wenn man das Warmwasser für Heizung und Duschen etc. für ein Jahr über Sonnenkollektoren und Saisonspeicher aufbringen will?

System

In Sonnenkollektoren tankt das Wasser die Wärme, dann wird es in den Erdspeicher eingebracht und gelagert bis zum Zeitpunkt, wo es zum Heizen zum Beipiel benötigt wird.

Die gewonnene Wärme soll jedoch bis zu einem halben Jahr gespeichert bleiben. Es gibt verschiedene Varianten von Saisonspeicher im Erdreich, einen eingegrabenen Tank etwa oder das Speichern in undurchlässigen Schichten im Erdreich (Aquifer). Diese Aufzählung ist nicht abschliessend, es sind Speicherkonzepte für Niedrigtemperaturwärme (<95°c).>Die Wahl für einen bestimmten Speichertyp hängt hauptsächlich von der Anlagengrösse und der geologischen sowie hydrogeologischen Verhältnissen am Standort ab. Ich entscheide mich für mein Beispiel für ein Kies-/Wasser-Wärmespeicher.

Rechenbeispiel

Die Rahmenbedingungen für meine Rechnung sollen folgende sein:
Mehrfamilienhaus mit vier Stockwerken à vier Parteien zu drei Bewohnern. Das Volumen des Gebäudes: 10m*10m*14m


Heiz-Energiebedarf

Die EnergieBezugsFläche entspricht 760qm (2*100qm + 4*140qm).
Die Heizleistungsbedarf (Qh) des Gebäudes soll 27kWh/qmEBFa sein, was innerhalb der Minergie-Standards liegt.

Qh*EBF = 27kWh/qmEBFa*760qm = 20.9MWh/a

Warmwasser-Energiebedarf

Wir zählen 12 Bewohner und rechnen mit einer Vorlauftemperatur von 60°C, Rücklauf 10°C.
Den täglichen Warmwasserbedarf (Qw) setze ich auf 25l/Person, was in etwa dem durchschnittlichen Bedarf eines Schweizers entspricht.
1l Wasser = 1kg

Qw=12 Personen*365 Tage im Jahr*25kg/TagPerson = 109500kg/a
Qw*spez.Wärmekapazität Wasser*Temperaturdifferenz Vorlauf-Rücklauf =
109500kg/a*4.187kJ/kg°K*50°K = 22'923'825kJ/a (3.6MJ = 1kWh)= ca.6.4MWh/a

Totaler Wärmeenergiebedarf

Qh + Qw + 10% Zirkulationsverluste = Total Wärmeenergiebedarf (Qtot)
20.9MWh/a + 6.4MWh/a + ca.2.7MWh/a = 30MWh/a

Sonnenkollektorleistung

Die Leistung (Ps) ist abhängig vom Standort, der Ausrichtung und des Wirkungsgrads der Kollektoren.
Als Standort wähle ich das schweizerische Mittelland mit einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von 573W/qm während 8h an 153 Tagen im Jahr (1224h/a).
Der Wirkungsgrad meiner Kollektoren soll 45% betragen. Dies sind eher unterdurchschnittliche Annahmen.

Ps = 573W/qm*1224h/a*45% = ca.315kWh/qma

Sonnenkollektorfläche

Qtot/Ps = A
30'000kWh/a / 315kWh/qma = ca.95qm


Die mögliche Kollektorfläche bei einem Anstellwinkel von 25° in südlicher Richtung (opimal für Orte in der Schweiz) beträgt 11m*10m = 110qm
Mit 110qm ist die Fläche genug gross (>95qm).

Bei einem Kies-/Wasser-Wärmespeicher muss mit 2.5 - 4 Kubikmeter Speichervolumen pro Quadratmeter Kollektorfläche gerechnet werden.

4 Kubikmeter/qm*110qm = 440 Kubikmeter

Um das Volumen möglichst kompakt zu halten, wähle ich ein Würfelvolumen.
7.6m*7.6m*7.6m = ca.440 Kubikmeter


Kostenabschätzung

Der Preis für 30 MWh/a (Kernstrom bis 30 MWh: Normaltarif inklusive Mwst = 9.33Rappen/kWh) beträgt 2799CHF/a.
Wenn der Bau des Erdspeichers etwa 220'000CHF kostet (Interpoliert von einem Bau in Steinfurt 1999 1500 Kubikmeter 406'200EURO) und die Kollektoren mit ca.55'000CHF (durchschnittliche Qualität und Leistung) dazugerechnet werden, dauert die Amortisation durch das Sparen der Stromkosten beinahe 100 Jahre. Ökonomisch rechnet sich eine solche Anlage also erst bei noch grösseren Überbauungen, bei Subventionierung durch den Staat oder bei höheren Stromkosten in Folge CO2-Steuern oder andere Energiepreissteigerungen.

Fazit

Es war teilweise schwierig, die richtigen Informationen, Werte und Dimensionen zu finden, da ich ja nur Annahmen gemacht hatte und auch nicht allzu viel Zeit investieren wollte. Wo es fraglich war, entschied ich mich für die sichere Seite, mehr Bedarf, weniger Leistung, mehr Fläche und Volumen. Beim Preis jedoch, versuchte ich, eine günstige Variante zu rechnen.
Die Abhängigkeiten zwischen der Kollektorfläche, dem Heizvolumen und dem Speichervolumen sind mir jedoch viel klarer. Vorausgesetzt meine Rechenmethode ist fehlerfrei, habe ich für mich ein Beispiel "konkret" durchrechnen können, was mir ein Gefühl für das Thema gibt.


Quellen & Links

http://www.minergie.ch/index.php?standards-6
http://www.vattenfall.de/www/vf/vf_de/204178priva/204838energ/205108hausw/205228warmw/index.jsp
www.statistik.zh.ch/php/down.php?sid=199&url=/statistik.info/pdf/1998_13.pdf
http://www.stadtwerk.winterthur.ch/default.asp?Sprache=D&Thema=0&Rubrik=0&Gruppe=5&Seite=152
http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlagenovember2001.html
http://itwserv.itw.uni-stuttgart.de/ITWHomepage/Sun/deutsch/technik/lzwsp/kies.html
http://www.sonnenpower.ch/index.php

Autor: Raúl Imhof